專利名稱：提高氮化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高微波功率器件線性度的方 法，具體地說是提高氮化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信的迅速發(fā)展，對微波放大器的性能要求越來越高，即要 求高頻、低噪聲、高功率、高效率和高線性度。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，低 頻下，硅器件占據(jù)著主要市場，在微波毫米波頻段砷化鎵器件占據(jù)主導(dǎo)和 支配地位。近年來隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，硅器件也已經(jīng)可以工作到毫米波 頻段，但是硅器件的低功率密度無法滿足高功率器件的要求。能夠工作了 微波毫米波頻段的砷化鎵器件，在高功率性能上也已經(jīng)接近它的極限值。 為了獲得更高的功率密度， 一種寬帶隙、高擊穿電壓和良好的熱性能半導(dǎo) 體材料氮化鎵受到人們的極大關(guān)注和研究。
與硅和砷化鎵材料相比，氮化鎵材料有著更優(yōu)良的電學(xué)性能，如氮
化鎵能帶隙Eg (3.4eV)幾乎是硅(l.leV)和砷化鎵(1.4eV)的3倍；氮 化鎵的擊穿電場E^ (4MV/cm)是硅(0. 57MV/cm)和砷化鎵(0. 64MV/cm) 的7倍；氮化鎵的最大工作溫度乙1,(700°0是硅(300°0和砷化鎵(300°0 的2倍多；氮化鎵的電子遷移率P (1500cm7Vs)也高于硅(700 cm7Vs)， 盡管它低于砷化鎵(5000 cm7Vs)，但是鋁鎵氮/鎵氮(AlxGa卜xN/GaN)異 質(zhì)結(jié)形成的二維電子氣濃度ns (10 15*10l2cm2)是銦鋁砷/銦鎵砷
(InAlAs/InGaAs ) (3 5*1012cm2)和銦鎵砷/鎵砷(AlGaAs/GaAs ) (1.5*1012cm2)的3到10倍；同時鋁鎵氮/鎵氮高電子遷移率晶體管
(Al,Ga卜xN/GaN HEMT )的電子最大速度vP (2. 5*107cm/s)和飽和速度 v^(2W0Vm/s)也比銦鎵砷/鎵砷高電子遷移率晶體管(AlGaAs/GaAsHEMT) 的電子最大速度Vp(2W(y'cm/s)和飽和速度vMI(0. 8求10Ws)高。正是由于氮化鎵材料優(yōu)良的電學(xué)性能使得AlxGanN/GaNHEMT成為具有高頻、高功率 密度、高溫、高線性和低噪聲器件，也使得它成為未來高級通信網(wǎng)絡(luò)中的 放大器、調(diào)制器和其它關(guān)鍵器件的主要替代者。在手機(jī)基站、汽車、航空 和相控陣?yán)走_(dá)等軍民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。比如，目前手機(jī)基站中的 放大器已經(jīng)接近其性能的極限，它是采用效率只有10%的硅芯片技術(shù)，這 就意味著到達(dá)晶體管的能量中有90%以熱量的形式浪費了，氮化鎵晶體管 可將基站放大器的效率提高到現(xiàn)在的兩倍或三倍，因此可以用較少數(shù)量的 基站覆蓋同樣的地區(qū)。或者，更可能的情況是，在基站數(shù)量不變的情況下 提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于不再需要強(qiáng)力風(fēng)扇和校正電路，整個基站 有可能縮小到只有小型電冰箱的大小，可以安裝在電線桿上，而不必占據(jù) 電話公司中心局中昂貴的空間。對無線通訊音視頻應(yīng)用中，放大器的非線 性將引起聲音和圖像的失真，為了得到高質(zhì)量的音視頻，就要求器件具有 高線性度。盡管ALGa卜xN/GaN HEMT在功率和線性度上相對于硅和砷化鎵器 件具有明顯的優(yōu)勢，但是通過器件外延層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化，可以 進(jìn)一歩提高其線性度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種通過優(yōu)化器件外延層結(jié)構(gòu)以及參數(shù)提高氮 化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法。
本發(fā)明方法提出了一種新型GaN HEMT外延層結(jié)構(gòu)，這就是在常規(guī)結(jié)構(gòu) AlxGa,—XN/ GaN的隔離層AlxGa,—XN與緩沖層GaN之間插入一層低Al組分y 的插入層AlyGai—yN層，形成AlxGa卜xN/AlyGanN/GaN結(jié)構(gòu)的HEMT。通過優(yōu)化 勢壘層ALGahN層的厚度、Al組分x的值和摻雜濃度(摻入硅)、插入層 AlyGa卜yN的厚度和Al組分x的值，使得在Al、Ga,xN/AlyGai—yN結(jié)之間形成的 主2DEG(二維電子氣)中的橫向電場&降低到一個適度的值；橫向電場ET 的降低是通過在AlyGanN/GaN異質(zhì)結(jié)界面形成的次2DEG (二維電子氣)對 主2DEG形成屏蔽作用達(dá)到。最后獲得的器件柵壓較大范圍內(nèi)變化時，跨導(dǎo) 變化比較小，實現(xiàn)器件的最大線性度。
4本發(fā)明方法是在藍(lán)寶石、硅或碳化硅基底上外延生長多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，
形成一種高線性度的高電子遷移率晶體管ALGanN/AlyGa卜yN/GaN結(jié)構(gòu)的 HEMT。具體步驟是
步驟(1)在藍(lán)寶石、硅或碳化硅基底上外延生長厚度為2. 5 y m緩沖層
GaN;
歩驟(2)在緩沖層上外延生長厚度為4nm的低Al組分的插入層
Alo. 04Ga^. 9sN;
步驟(3)在插入層Al。，Ga。.恥N上外延生長一層厚度為3nm的隔離層 Alo』Ga。，N，主要是提高AlQ.31Ga。，N/Al。.。4Ga。.96N結(jié)的勢壘導(dǎo)帶差；
歩驟(4)在隔離層AlQ.31Ga。，N上外延生長一層厚度為20nm的 Al。.31Ga。.69N;生長過程中，摻雜硅元素，形成載流子摻雜濃度為3. 5X1018cm—3 的勢壘層；
歩驟(5)在勢壘層上外延生長一層厚度為2nm的帽層Al。,,,Ga。.69N;
步驟(6)在帽層上按照常規(guī)方法研制晶體管的柵極、源極和漏極，柵極 金屬為Ni/Au (鎳/金)，源極和漏極金屬為鈦/鋁/鎳/金(Ti/Al/Ni/Au)。
本發(fā)明方法中各層的外延生長采用常規(guī)技術(shù)手段，本發(fā)明的發(fā)明點在 于器件的外延層結(jié)構(gòu)以及各外延層的相關(guān)參數(shù)。
本發(fā)明通過改變器件的外延層結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化外延層結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)， 使得器件在工作時柵極電壓在一定范圍工作范圍內(nèi)器件的跨導(dǎo)變化很小， 器件具有較高的線性度。
圖1為本發(fā)明具體實施例的跨導(dǎo)與柵極電壓關(guān)系示意圖。
具體實施例方式
一種提高氮化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法，具體步驟是 步驟(1)在藍(lán)寶石基底上外延生長厚度為2. 5 ti m緩沖層GaN; 步驟(2)在緩沖層上外延生長厚度為4nm的低Al組分的插入層
Al().()iGa(). w;N;歩驟(3)在插入層Al。，Ga。，N上外延生長一層厚度為3nm的隔離層 Al0.31Gaafi9N，主要是提高Al。.:,iGa。.6gN/Al。.。4Ga。，N結(jié)的勢壘導(dǎo)帶差；
歩驟(4)在隔離層A1。.:"G"N上外延生長一層厚度為20nm的 Al。Ga。，N;生長過程中，摻雜硅元素，形成載流子摻雜濃度為3. 5X1018cnT3 的勢壘層；
歩驟(5)在勢壘層上外延生長一層厚度為2nm的帽層AlQ.31Ga。.69N;
歩驟(6)在帽層上按照常規(guī)方法研制晶體管的柵極、源極和漏極，柵極 金屬為Ni/Au (鎳/金)，源極和漏極金屬為鈦/鋁/鎳/金(Ti/Al/Ni/Au)， 選擇器件的柵長為1Wn，柵寬為lOOHm，柵極與源極、柵極與漏極之間距離 都為l幽。
由圖1可見，Al。.31Ga。.69N/ Al0,Ga0.96N/GaN HEMT的最大跨導(dǎo)約為 300mS/mm，器件在柵壓為-2到IV之間曲線幅度變化很小，表明器件具有 較好的線性度。
權(quán)利要求
1、提高氮化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法，其特征在于該方法的具體步驟是步驟(1)在藍(lán)寶石、硅或碳化硅基底上外延生長厚度為2.5μm緩沖層GaN；步驟(2)在緩沖層上外延生長厚度為4nm的低Al組分的插入層Al0.04Ga0.96N；步驟(3)在插入層Al0.04Ga0.96N上外延生長一層厚度為3nm的隔離層Al0.31Ga0.69N；步驟(4)在隔離層Al0.31Ga0.69N上外延生長一層厚度為20nm的Al0.31Ga0.69N；生長過程中，摻雜硅元素，形成載流子摻雜濃度為3.5×1018cm-3的勢壘層；步驟(5)在勢壘層上外延生長一層厚度為2nm的帽層Al0.31Ga0.69N；步驟(6)在帽層上研制晶體管的柵極、源極和漏極，柵極金屬鎳/金，源極和漏極金屬為鈦/鋁/鎳/金。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高氮化鎵高電子遷移率晶體管線性度的方法。本發(fā)明方法在常規(guī)結(jié)構(gòu)AlxGa1-xN/GaN的隔離層AlxGa1-xN與緩沖層GaN之間插入Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N插入層，形成Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N/GaN結(jié)構(gòu)的HEMT。通過優(yōu)化勢壘層Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N層的厚度、Al組分x的值和摻雜濃度、插入層Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N的厚度和Al組分x的值，使得在Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N結(jié)之間形成的主2DEG(二維電子氣)中的橫向電場E<sub>T</sub>降低到一個適度的值。本發(fā)明方法獲得的器件柵壓較大范圍內(nèi)變化時，跨導(dǎo)變化比較小，實現(xiàn)器件的最大線性度。
文檔編號H01L21/02GK101488457SQ20091009641
公開日2009年7月22日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者周偉堅, 周肖鵬, 勝 張, 程知群, 莎 胡 申請人:杭州電子科技大學(xué)